声表面波油包水微液滴分裂研究范文

摘要：

提出了声表面波实现油包水微液滴的分裂方法，并在128°YX－LiNbO3基片上研制了分裂油包水微液滴的微器件。在压电基片上采用微电子工艺制作叉指换能器，其激发的SAW部分作用于油包水微液滴，瞬间降低电信号幅度，油相内水微液滴在惯性力作用下发生分裂，油相微液滴由于较大的表面张力发生形变而不分裂。以石蜡油包裹蓝色水相微液滴为研究对象，进行了油包水微液滴分裂实验和理论分析，结果表明，当电信号从功率为12．3dBm瞬间关断时，可实现油相内水微液滴分裂。

关键词：

声表面波；液滴；叉指换能器；分裂；辐射

0引言

微流控芯片可将常规的生化分析实验室操作单元集成在微小的芯片上，它极大减少了分析中的试剂消耗量，缩短了生化分析时间，并降低了分析中人为引入误差，在食品分析、生化检测、生物技术和临床分析等领域，日益获得广泛应用［1－4］，在如硅、玻璃、有机聚合物和纸等多种基片上实现了不同分析功能的微流控芯片。这些基片在透光性、生物相容性和工艺简单性等方面都各有其特点，并适用于不同应用场合。但这些基片本身无法实现微流操作，需外加泵等驱动源才能实现微流输运、混合、分离等基本操作，给微流分析增加了体积和设备成本［5］。压电微流器件可解决基片上微流操作问题，它采用基片上叉指换能器激发的声表面波实现微流混合［6］、微流输运［7］、细胞分选［8］、微粒或生物微粒富集［9－10］等微流操作，越来越受微流控学工作者的青睐。但与其他材料为基底的微流控芯片一样，压电微流器件中压电基片上微流在SAW声辐射作用下蒸发现象较严重，影响了微流分析精度。油包微液滴可解决压电微流器件微流蒸发问题，在压电微流分析中获得应用［11］。在压电微流分析中，需将油包的水微液滴进行分裂，以实现高通量、小剂量的微流分析。目前，有关压电基片上油相内水微液滴分裂尚未见报道。文献［12］指出，在微流控芯片的微流通道内，油相内微液滴分裂法（如T型微通道法［12］）采用油相微流体在微通道内流动时使水相流体产生剪切力，实现微流体分裂。Link等［13］采用微通道内放置微方形障碍物，使微通道内水相微液滴在障碍物作用下发生分裂，分裂微液滴尺寸可由障碍物在微通道内位置而改变。这些方法无法直接应用于压电微流器件上油包微液滴的分裂。本文探索压电基片上油包微液滴在部分声场作用下水相微液滴的分裂，为压电微流器件高通量微流分析提供基础。

1实验

当在压电基片上采用微电子工艺制作IDT，并在其上加声同步频率的电信号时，压电基片上的IDT激发SAW，且在其表面传播。传播的SAW遇到压电基片上的微流体，则向微流体内以瑞利角θR辐射能量，声波辐射入微流体的θR［14］为θR＝arcsin（vW／vR）（1）式中：vW为声波在微流体中传播速度；vR为声波在压电基片上传播速度。图1为SAW辐射入微流体示意图。当电信号功率较小时，压电基片上微液滴在声辐射力及反射声波力共同作用下，微液滴受到不对称声辐射力作用而出现向心旋转运动；逐渐加大IDT上电信号功率，IDT激发的SAW在微流体内产生足够大的声流力，则该微流体将沿声传播方向运动。为实现微流体非对称声辐射力，采用部分声场作用于微液滴，实现油包水微液滴产生向心运动，图2为部分声场作用下油包水微液滴分裂实验装置。图2中，IDT采用微电子工艺制作在128°YX－LiNbO3基片上。IDT的指对数为35，孔径均为4．32mm，周期为144μm。信号发生器（SP1461，EPRE，）提供射频正弦波信号，该信号可由功率放大器（TSA002A，TSH）放大，功率放大器的功率增益为48dB，最大不饱和输出功率为30W。带高灵敏度电荷耦合器（DCE－2，Novel）的显微镜用来观察微液滴运动及分裂，并储存于计算机中。MD－VNT软件用来摄像控制和图像处理。采用微量进样器将油包水微液滴放置于压电基片上，使部分声场作用该微液滴，并在IDT上加电信号。由于声辐射力作用于油包水微液滴部分区域，因此，微液滴受到不对称力作用，同时，微液滴重力及其与压电基片间作用力共同作用下，微液滴在原位发生向心旋转。瞬间断开电信号，微液滴由于惯性力作用，水相微液滴发生分裂，而油相微液滴由于分子间作用力较大发生形变而不至于分裂，从而实现油相内水微液滴分裂。

2实验结果与讨论

部分声场作用下3μL油包裹2μL蓝色水相微流体分裂视频截图，如图3所示。图3（a）为3μL油包裹2μL水微液滴在压电基片上状态，此时，IDT上未加电信号。当在IDT上加12．3dBm电信号（测得电信号峰－峰值为3．66V）时，油相微液滴发生形变，并开始作向心旋转运动（见图3（b）～（c）），瞬间关断电信号，水相微液滴发生破裂，而油相微液滴形变加大（见图3（d）），经过0．067s后，微液滴恢复自然状态（见图3（e）），再在IDT上加电信号，则分裂了的微液滴在非对称声辐射力作用下向心旋转运动（见图3（f））。图3（g）为第二次瞬间降低电信号功率，水相微液滴发生分裂状态。图3（h）～（i）为2次分裂后，子液滴在SAW作用下向心运动。由图3可知，在部分声场作用下，可实现油相内水相微液滴在油相内分裂。另外，加在IDT上电信号功率变化量越大，油相微液滴形变越大，分裂的水相子液滴越远离微液滴中心（见图3（d））。降低加在IDT上的功率，使其电信号变化量减少，油相微液滴形变减少，水相微液滴分裂的子液滴越靠近微液滴中心（见图3（g））。但在部分声场作用下，由于所受声辐射力较小，油相微液滴本身不发生分裂，只使水相微液滴在油相内分裂。将整个油包水微液滴放置于声路径上，加在IDT上的电信号功率从12．3dBm瞬间下降到0，则油包水相微液滴发生分裂并远离母液滴，成为独立的油包水微液滴，如图4所示。图中，图4（a）为压电基片上5μL油包裹2．5μL水微液滴状态，图4（b）为IDT上加功率为12．3dBm的电信号，微液滴开始受声辐射力作用，当瞬间关断电信号，油包微液滴发生分裂，并离开母液滴（见图4（c）～4（d））。由图4可见，油包微液滴处于整个声场内，相同电信号功率变化量可使油包水微液滴发生分裂并分离，成为独立的油包水子微液滴。由此可见，要实现油包水微液滴内部水相微液滴分裂，部分声场作用和电信号功率大小是关键因素。为更好解释油包水相微液滴在母液滴内分裂，对微液滴进行了力的分析和计算。图5为油包水微液滴分裂示意图。由图5（a）可看出，在SAW作用时，油包水微液滴受到液滴与压电基片间的表面张力、重力和声辐射力的作用，其中，微液滴与压电基片间的表面张力是固体（压电基片）－气体表面能γ1，液体（微液滴）－气体表面能γ2和固体－液体表面能γ3共同作用的结果，该表面张力为Fsurface＝∫2π0γ2（1＋cos）•r0dt（2）式中：为液滴在压电基片上接触角，由接触角测量仪测量得到，油液滴对涂覆有TeflonAF1600薄膜的压电基片接触角为72．8°；r0为微液滴与压电基片表面接触边界（由实验可得，微液滴在压电基片表面上接触边界近似为圆形）。采用图像分析软件测得图3（a）和图4（a）油包微液滴半径分别为1．32mm和1．54mm。根据式（2）可得，油包水微液滴与压电基片间的表面张力为0．3544mN和0．4135mN。油包水微液滴重力为Fg＝（ρ1V1＋ρ2V2）g（3）式中：ρ1和ρ2为石蜡油和水液滴密度；V1和V2为石蜡油和水液滴的体积；g为重力加速度。根据石蜡油和水的密度及油包水微液滴体积，可计算得到图3（a）和图4（a）油包水微液滴的重力分别为0．0265mN（3μL油重力）、0．0196mN（2μL水重力）和0．044mN（5μL油重力）、0．0245mN（2．5μL水重力）。SAW辐射入微流体产生单位体积的声辐射力［15－16］为Fs＝－ρ（1＋α2l）3／2A2ω2Kiexp2（Kix＋αlKiz）（4）式中：ρ为微流体密度；ω为角频率；A为SAW幅度；Ki为漏SAW的波数的虚部；αl＝jα，α＝1－（vR／vW）槡2。根据式（4）并结合图3微流体在声路径的体积（图3中，油包水微液滴接近一半体积处于声路径中，为计算方便，采用一半的油包水微液滴体积），可计算得到其所受声辐射力为0．0345mN。同样，可计算得到图4中油包水微液滴所受声辐射力为0．1035mN。图3、4中油包水微液滴表面张力和微液滴的重力之和均大于微液滴所受声辐射力，所以，不管部分声场作用还是全声场作用，与压电基片表面接触的那部分油相微流体仍保持接触状态。在部分声场作用时，SAW对油包水微流体的声辐射力接近微流体重力，考虑到液体表面间分子作用力，因此，部分声场作用下，油相微液滴难以飞离母液滴。而油相内部的水相微液滴，自身重力相对声辐射力较小，且水相微液滴分子间作用较小，因此，水相液滴在油相内发生分裂（见图3（d））。在全声场作用下，SAW声辐射力较大，远大于油包水微液滴重力，因此，当激发SAW的电信号突然下降到0时，油包水微液滴顶面部分由于受到惯性力作用发生分裂，离开母液滴，而油包水微液滴的底面部分，由于其与压电基片间的表面张力大于声辐射力，使其继续保留原位（见图4（c）～4（d））。

3结论

提出了在部分声场作用下，油包水相微液滴的分裂方法，采用声辐射力、液滴表面张力和惯性力的共同作用，使油包水相微液滴发生分裂。以石蜡油包蓝色水相微液滴作为实验对象，进行了SAW作用下油包水相微液滴的分裂实验，验证了所提出方法的正确性。本文可得结论：1）部分声场作用下，可成功分裂油包水相微液滴。2）部分声场作用，使得油包水相微液滴受到不对称声辐射力作用，发生向心运动，使油包水相微液滴可实现多次分裂。3）加在IDT上电信号功率影响分裂后水相子液滴的空间位置。

参考文献：

［16］李志鹏，李晓英，邵宪友．基于COMSOL声表面波扭矩传感器的有限元分析［J］．重庆理工大学学报（自然科学版），2015（11）：17－22．

作者:王保成 付相庭 章安良 单位:襄阳职业技术学院电子信息工程学院 宁波大学微纳电子系统研究所 常州工学院电气与光电子工程学院